專利名稱：過流檢測電路及配置有過流檢測電路的電源設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電源設備等中使用的過流檢測電路。更具體地，本發(fā)明涉及配置有將電流輸出到負載的開關元件的電源設備等中使用的過流檢測電路，并且涉及配置有此類過流檢測電路的電源設備。
背景技術：
圖4是示出了配置有傳統過流檢測電路的電源設備100的電學結構的示意圖。向P-溝道(P型半導體)MOS晶體管(絕緣柵場效應晶體管)101的源電極饋給輸入電壓Va，并且將其漏極與二極管105的負極、過流檢測電路104的輸入端、經由電感器106與電容器107的一端以及負載102的一端相連。二極管105的正極、電容器的另一端、以及負載102的另一端接地。
過流檢測電路104將MOS晶體管101漏極處的電壓與其參考電壓相比較，用于檢測MOS晶體管101的漏極電流是否是過流(MOS晶體管101的漏極電流是否等于或大于由參考電壓所確定的過流檢測電平)，并且向控制部分103給出比較結果?？刂撇糠?03監(jiān)控將要施加到負載102的輸出電壓VL，并且控制MOS晶體管101的柵極處的電壓從而使輸出電壓VL保持恒定。控制部分103也接收過流檢測電路104的輸出，并且由此識別MOS晶體管101的過流狀態(tài)。也將輸入電壓Va饋至控制電路103和過流檢測電路104作為其電源電壓。
為使電源設備100免于過流，已經提出了三種主要方法(將在下面描述的第一至第三方法)。在第一方法中，一旦檢測到過流，然后MOS晶體管就保持截止。為取消截止狀態(tài)，需要停止輸入電壓Va的供應并且然后重啟其供應。
然而，上述第一方法具有這樣的缺點，如果過流保護功能啟動的原因在于啟動時通過電源設備100的相對較高的電流，輸出電壓VL變?yōu)?V，并且因此電源設備100未能啟動(發(fā)生啟動故障)。此種啟動故障特別地發(fā)生在負載102具有較大輸入電容的情況中。
假設為防止此種啟動故障，將在過流檢測電路104中設定的過流檢測電平如此設置，使其大于涌流(inrush current)的最大值。于是，即使例如由于負載102的變化，與過流檢測電平大致相等的電流(最終，與過流檢測電平相等的電流)持續(xù)通過MOS晶體管101，MOS晶體管101保持導通。例如，這不利地導致不但MOS晶體管101而且二極管105、電感106、以及負載102的損壞(熱損壞)，并且因此減小了電源設備100的可靠性。另一方面，為防止對如功率MOS晶體管101、二極管105、電感106(在一些情況中，負載102)等這些部件的損壞，將不得不采用具有較大額定電流的部件。這導致較大的安裝面積，并且也導致較高的成本。
第二方法被稱作恒流下降法，其中將MOS晶體管101的漏極電流如此控制，使其不超過與輸出電壓VL值無關的確定電平(即，過流檢測電平)。在第二方法中，假定將負載102短路。于是，將MOS晶體管101的漏極電流保持在過流檢測電平(或保持在過流檢測電平以下)，而不會使MOS晶體管101保持截止狀態(tài)。采用上述第二方法可以避免第一方法中所觀察到的啟動故障。
在第三方法中，根據下面列出的專利文件1中所述的預定時間切換運行模式。已公開的是配置有過流保護功能的電源設備，其中，從切換控制部分接收到來自遠程開/關端子的電源啟動信號時，主切換部分開始運行，檢測主切換部分的電流，并且如果檢測到過流，過流保護電路運行以便控制切換控制部分。該電源裝置配置有定時器電路，所述定時器電路接收到電源啟動信號時，在定時器設定時間t1之內發(fā)送“過流保護設定值處于過載時期”，并且在定時器設定時間t1結束之后，向過流保護電路輸出用于切換到額定輸出的信號，即“穩(wěn)定的過流保護設定值”(例如，見專利文件1)。
專利文件1JP-A-08-065879

發(fā)明內容
發(fā)明要解決的問題大體上，在上述第二方法中，如此設置過流檢測電平使其稍微大于或等于啟動時通過電源設備的涌流的最大值。這有助于實現電源設備的快速啟動而不會引起如第一方法所述的啟動故障。然而，如此設置的過流保護電平比穩(wěn)定狀態(tài)(其中將輸出電壓VL穩(wěn)定在特定目標電壓的狀態(tài))所需要的大。因此，例如如果在穩(wěn)定狀態(tài)中負載102短路，與大于所需的過流檢測電平相當的漏極電流持續(xù)流過MOS晶體管101。如前所述，這不利地導致電源設備可靠性的減小、較大的安裝面積、并且同樣導致較高的成本。
另一方面，在專利文件1中描述的傳統配置示例中，在定時器設定時間t1結束之后，將用于切換到額定輸出的信號“穩(wěn)定過流保護設定值”饋至過流保護電路。即，在定時器設定時間t1結束之后，將過流保護設定值固定在“穩(wěn)定過流保護設定值”。
然而，負載所要求的電流在變化，且其一般要與諸如在除了啟動之外的時期要求在短時間內(例如幾個毫秒)的高強度電流(充電電流)的電容性負載或提取高強度沖擊電流的電機之類的負載相連。在專利文件1中描述的傳統配置示例中，如果在除了啟動之外的時期高強度電流流過其中，過流保護功能運行。這使得輸出電壓在短時間內不可能達到額定電壓(目標電壓)，或，取決于保護功能的特性，輸出電壓變?yōu)?V。
如果輸出電壓未能達到額定電壓，即使在短時間內(例如幾個毫秒)，對于特別包括微型計算機的負載的穩(wěn)定操作的影響將是絕對有害的。當圖4中示出的傳統示例采用上述第二方法且將其過流檢測電平設定在不當地較低值時，同樣出現在專利文件1中描述的傳統配置示例的上述問題，即，“過流保護功能由于在除了啟動之外的時期通過高強度電流而運行，即使持續(xù)較短的時間，使輸出電壓不可能達到額定電壓”。
考慮到上述傳統問題，本發(fā)明的目的是提供一種取決于電源設備等的狀態(tài)可以實現最佳過流保護的過流檢測電路。本發(fā)明的另一個目的是提供一種配置有此種過流檢測電路的電源設備。
解決問題的手段為實現上述目的，根據本發(fā)明的一個方面，提出了一種檢測向負載輸出電流的開關元件的過流狀態(tài)的過流檢測電路，包括啟動監(jiān)控部分，所述啟動監(jiān)控部分當向過流檢測電路開始供電之后經過的時間超過預定時間時輸出穩(wěn)定狀態(tài)信號，并且所述啟動監(jiān)控部分當向過流檢測電路開始供電之后經過的時間超過預定時間時小于預定時間時輸出啟動狀態(tài)信號；過流監(jiān)控部分，所述過流監(jiān)控部分可以設定兩種過流檢測電平，其一是第一過流檢測電平且以及其二是比第一過流檢測電平大的第二過流檢測電平，并且所述過流監(jiān)控部分監(jiān)控開關元件的過流狀態(tài)；以及輸出電壓監(jiān)控部分，所述輸出電壓監(jiān)控部分通過將與輸出電壓成比例的電壓與預定電壓相比，檢測到負載的輸出電壓正常還是異常，然后向過流監(jiān)控部分給出檢測結果。這里，當輸出電壓異常且輸出穩(wěn)定狀態(tài)信號時，過流監(jiān)控部分將第一過流檢測電平設定為過流檢測電平，以及，當輸出電壓正常或輸出啟動狀態(tài)信號時，過流監(jiān)控部分將第二過流檢測電平設定為過流檢測電平。
利用這種結構，當輸出電壓由于負載的短路等變得異常并且輸出穩(wěn)定狀態(tài)信號(即設備不處于啟動狀態(tài))時，將具有相對較小值的第一過流檢測電平設定為過流檢測電平。因此，由例如開關元件和用于將穩(wěn)定的電壓饋給負載的部件(例如二極管或電感；在圖1中，二極管22或電感23)所產生的熱變得相對較小，使提高配置有上述過流檢測電路的電源設備的可靠性成為可能。
此外，采用具有較小額定電流的部件作為開關元件或用于將穩(wěn)定的電壓供應給負載的部件成為可能。這有助于實現安裝面積的減小，同樣且實現成本的降低。
在啟動時，因為啟動監(jiān)控部分輸出啟動狀態(tài)信號，將具有相對較大值的第二過流檢測電平設定為過流檢測電平。因此，通過適當地設定第二過流檢測電平(例如，通過如此設定第二過流檢測電平以便其略微大于或幾乎等于啟動時的涌流的最大值)，可以使輸出電壓迅速地達到目標電壓，而不會遇到如在傳統第一方法中所觀察到的啟動故障。
當輸出電壓正常時(即，輸出電壓已經增加得超出特定電壓，并且負載沒有遇到短路等)，具有相對較大值的第二過流檢測電平被設定為過流檢測電平。因此，即使當負載是，例如在除了啟動之外的時期要求在短時間內(例如幾個毫秒)的較高充電電流的電容性負載或提取較高沖擊電流的電機時，過流保護操作也不會運行。這消除了暫時(例如幾個毫秒)達不到額定電壓的輸出電壓的可能性。
為確保配置有上述過流檢測電路的電源設備的可靠性，例如，要求即使將負載短路較長的時間段(例如1分鐘)也要防止開關元件等被損壞。因此例如，如此設置第一過流檢測電平以便滿足上述要求。即，即使當與第一過流檢測電平相對應的電流流經開關元件較長的時間段(例如1分鐘)，也要防止開關元件等被損壞(例如熱損壞)。
因此，即使當輸出電壓正常時(即，輸出電壓已經增加到超出特定電壓，并且負載沒有遇到短路等)以比第一過流檢測電平大的第二過流檢測電平的電流流經電容性負載等時，也能防止使開關元件等被損壞，只要第二過流檢測電平的電流持續(xù)短時間(例如等于或小于幾個毫秒)。這使得維持電源設備的高可靠性成為可能。
例如，在上述配置中，輸出電壓監(jiān)控部分可以將與輸出電壓成比例的電壓的大小與具有預定檢測電壓大小的輸出電壓相比較。當與輸出電壓成比例的電壓的大小大于檢測電壓的大小時，輸出電壓監(jiān)控部分檢測到輸出電壓正常，以及，當與輸出電壓成比例的電壓的大小小于檢測電壓的大小時，輸出電壓監(jiān)控部分檢測到輸出電壓異常，然后向過流監(jiān)控部分給出檢測結果。
例如，在上述配置中，啟動監(jiān)控部分可以包括軟啟動電路，當輸出與開始向過流檢測電路供電之后所經過的時間成比例的電壓的同時，所述軟啟動電路以這樣一種方式控制開關元件，使得執(zhí)行軟啟動操作從而當開始向過流檢測電路供電時使輸出電壓溫和地上升。基于從軟啟動電路輸出的電壓，啟動監(jiān)控部分可以輸出穩(wěn)定狀態(tài)信號或啟動狀態(tài)信號。
常用電源設備具有軟啟動電路。因而，上述配置消除了提供用于啟動監(jiān)控部分的額外定時器電路等的需要。這有助于簡化電路，實現安裝面積的減少，并且與專利文件1中描述的結構相比也實現成本的降低。
例如，在上述配置中，基于在開始向過流檢測電路供電之后預定電流通過電容性元件所產生的電壓，啟動監(jiān)控部分可以輸出穩(wěn)定狀態(tài)信號或啟動狀態(tài)信號。
配置在常用電源設備中的軟啟動電路等可以輸出“在開始向過流檢測電路供電之后預定電流通過電容性元件所產生的電壓”。因而，不必提供用于啟動監(jiān)控部分的額外的定時器電路等。這有助于簡化電路，實現安裝面積的減少，并且與專利文件1中描述的配置相比也實現成本的降低。
例如，在上述配置中，在開關元件的輸入電壓的基礎上確定第一過流檢測電平和第二過流檢測電平。
例如，在上述配置中，還可以向過流檢測電流配置控制部分，所述控制部分根據涉及開關元件的過流狀態(tài)的信號控制開關元件，從過流監(jiān)控部分輸出所述信號。
根據本發(fā)明的另一個方面，電源設備配置有如上所述配置的過流檢測電路、開關元件、以及平滑電路，所述平滑電路平滑開關元件輸出側的電壓，并且然后向負載輸出已平滑的電壓。
因為電源設備配置有如上所述配置的過流檢測電路，如上所述，提高了電源設備的可靠性。此外，采用具有較小額定電流的部件作為開關元件或形成平滑電路的部件變得有可能了。這有助于實現安裝面積的減少，并且也實現成本的降低。
發(fā)明效果如上所述，根據本發(fā)明的過流檢測電路，可以實現取決于電源設備等的狀態(tài)的最佳過流保護。這使得提高電源設備等的可靠性、并且實現其安裝面積的減少和其成本的降低成為可能。


圖1是本發(fā)明第一實施例的過流檢測電路以及配置此種過流檢測電路的電源設備的電路圖。
圖2是示出了在圖1中示出的電源設備中所觀察到的相關電壓和電流波形的示意圖。
圖3是本發(fā)明第二實施例的過流檢測電路以及配置此種過流檢測電路的電源設備的電路圖。
圖4是配置傳統過流檢測電路的電源設備的電路圖。
參考符號列表1，51，100電源設備2，52，101MOS晶體管3柵極驅動器4PWM比較器5誤差信號放大器6三角波發(fā)生電路7，8，9比較器10“與”電路11，12，15，16，17電壓源13開關電路14反相器18，20，21，53電阻器19，24，107電容器22，105二極管23，106電感25，102負載28，58 集成電路元件30，103控制部分31，37 啟動監(jiān)控部分32，36 軟啟動電路33 過流監(jiān)控部分34 輸出電壓監(jiān)控部分
35，38，104 過流檢測電路60 恒流源Vin，Va 輸入電壓Vo，VL 輸出電壓SS，INV，SW 端子具體實施方式
(第一實施例)在下文中，將描述本發(fā)明的過流檢測電路的第一實施例及配置有此種過流檢測電路的電源設備。圖1是示出了第一實施例的電源設備1的電路配置的示意圖。
(圖1配置描述)將外部饋入的輸入電壓Vin饋給用作開關元件的P-溝道MOS晶體管2的源極，并且將其漏極與比較器7的反相輸入端(-)、二極管22的負極、以及電感23的一端相連。電感23的另一端經由其中將用于平滑將要被施加到負載25的輸出電壓Vo的電容器24與負載25并聯連接的電路接地。二極管22的正極接地。如上所述，使MOS晶體管2的漏極向負載25輸出電流(供電)，并且二極管22、電感23、以及電容器24形成平滑MOS晶體管2的輸出端電壓(漏極電壓)的平滑電路，并將得到的電壓輸出到負載25。
輸出電壓Vo經由其中將電阻器20和電阻器21串聯連接的電路接地，并且將電阻器20和電阻器21連接在一起的節(jié)點與誤差信號放大器5的反相輸入端(-)以及檢測輸出電壓Vo正常或異常的比較器9的非反相輸入端(+)相連。電壓源15、16、以及17分別產生誤差參考電壓Ver、SS(軟啟動)檢測電壓Vss、以及檢測電壓Vab。以GND(地)為基準，將由電壓源15、16、以及17產生的電壓分別饋至誤差信號放大器5的第二非反相輸入端(+)、比較器8的反相輸入端(-)、以及比較器9的反相輸入端(-)。應該注意的是Ver＞Vss。
將誤差信號放大器5的第二非反相輸入端(+)經由電阻器18與其第一非反相輸入端(+)、比較器8的非反相輸入端(+)、以及電容器19的一端相連。電容器19的另一端接地。
分別向PWM比較器4的反相輸入端(-)和非反相輸入端(+)饋給誤差信號比較器5的輸出電壓以及從三角波發(fā)生電路6輸出的三角電壓。PWM比較器4向柵極驅動器3輸出針對MOS晶體管2的脈沖寬度調制的控制信號。
將比較器8的輸出(α)饋至“與”電路10的一個輸入端子。由反相器14將比較器9的輸出反相，并且然后將其饋至“與”電路10的另一個輸入端子。將“與”電路10的輸出(β)饋至開關電路13作為用于控制開關電路的控制電壓。
電壓源11輸出與本發(fā)明的第一過流檢測電平相對應的電壓V1，以及電壓源12輸出與本發(fā)明的第二過流檢測電平相對應的電壓V2。分別向電壓源11和電壓源12的一端饋給輸入電壓Vin，并且將其另一端連接到與開關電路13的第一固定端子和第二固定端子中相對應的一個端子。應該注意的是V1＜V2(即，第二過流檢測電平大于第一過流檢測電平)。將開關電路13的公共端與比較器7的非反相輸入端(+)相連，并且將比較器7的輸出饋至柵極驅動器3作為指示MOS晶體管2的過流狀態(tài)的電壓。應該理解的是，在本說明書中，“過流狀態(tài)”是這樣一種狀態(tài)，其中MOS晶體管2的漏極電流變得等于或大于預先確定的過流檢測電平(第一過流檢測電平或第二過流檢測電平)并且比較器7的輸出電位變高(處于高電平)。
將柵極驅動器3的輸出端與MOS晶體管2的柵極相連。柵極驅動器3在參考從比較器7輸出的電壓(指示MOS晶體管2的過流狀態(tài)的電壓)的同時，根據從PWM比較器4輸出的控制信號控制MOS晶體管2的導通/截止。
將MOS晶體管2、柵極驅動器3、PWM比較器4、誤差信號放大器5、三角波發(fā)生電路6、比較器7、8、和9、“與”電路10、電壓源11和12、開關電路13、反相器14、電壓源15、16、和17、以及電容器18一起封入單獨的封裝中，形成集成電路元件28。包括在集成電路元件28中的所有部件，例如柵極驅動器3，在輸入電壓Vin下工作。將集成電路元件28的端子SS、INV、以及SW與比較器8的非反相輸入端(+)、誤差信號放大器5的反相輸入端(-)、以及MOS晶體管2的漏極分別相連。
應該注意的是，將部件分成配置在集成電路元件28內部的部件和配置在集成電路元件28外部的部件僅用于說明的目的。例如，可以將MOS晶體管2配置在集成電路元件28的外部，從而將除輸入電壓Vin之外的電壓饋至集成電路元件18作為電源電壓?？蛇x地，代替被配置在集成電路元件28的內部，可以將比較器9與集成電路元件28的外部相連，或可以將電容器19配置在集成電路元件28的內部。應該注意的是，圖1說明了其中將開關電路13的公共端與第一固定端子相連(位于電壓源11一側的端子)的狀態(tài)。
(圖1操作描述)如此配置誤差信號放大器5，使得在施加到其反相輸入端(-)的電壓比施加到其第一非反相輸入端(+)的電壓以及施加到其第二非反相輸入端(+)的電壓都要小的情況下(在下文中的“條件1”)，誤差信號放大器5輸出比條件1沒有滿足時高的電壓。如此配置驅動器3等，使得在條件1的情況下，使MOS晶體管2保持導通狀態(tài)持續(xù)得比條件1沒有滿足時要長。
將通過由電阻器20和21對輸出電壓Vo分壓而得到的電壓與誤差信號參考電壓Ver以及施加到端子SS的電壓相比較。如此設置MOS晶體管2，以便使這三種電壓在穩(wěn)定的狀態(tài)(其中將輸出電壓Vo穩(wěn)定在目標電壓Vtar的狀態(tài))中彼此相等。即，由誤差參考電壓Ver以及電阻器20和21的分壓比確定其中輸出電壓Vo應該被穩(wěn)定的目標電壓Vtar，并且通過主要由誤差信號放大器5、PWM比較器4、三角波發(fā)生電路6、以及柵極驅動器3所構成的控制部分30的動作將輸出電壓Vo穩(wěn)定在目標電壓Vtar。換句話說，控制部分30以這樣的一種方式控制MOS晶體管2的導通/截止，使得將輸出電壓Vo維持(穩(wěn)定)在目標電壓Vtar。
過流監(jiān)控部分33主要由電壓源11和12、開關電路13、以及比較器7構成，并且監(jiān)控對MOS晶體管2監(jiān)控過流狀態(tài)。如前所述，過流監(jiān)控部分33可以設定兩種過流檢測電平，其一是第一過流檢測電平，以及其二是大于第一過流檢測電平的第二過流檢測電平。
輸出電壓監(jiān)控部分34主要由比較器9和電壓源17構成。假定電阻器20和電阻器21的電阻值分別是R1和R2。然后，輸出電壓監(jiān)控部分34將通過由電阻器20和電阻器21對輸出電壓Vo分壓而獲得的電壓(＝Vo·R2/(R1+R2)，與輸出電壓Vo成比例的電壓)與檢測電壓Vab相比較。如果發(fā)現Vo·R2/(R1+R2)＞Vab，輸出電壓監(jiān)控部分34檢測出輸出電壓正常。另一方面，如果發(fā)現Vo·R2/(R1+R2)＜Vab，輸出電壓監(jiān)控部分34檢測出輸出電壓異常。換句話說，通過將輸出電壓Vo與電壓(Vab·(R1+R2)/R2)相比較，輸出電壓監(jiān)控部分34檢測輸出電壓正常還是異常。將這樣獲得的檢測結果經由反相器14和“與”電路10饋至過流監(jiān)控部分33。
這里，將其中電源設備1的輸出電壓Vo為正的情況作為示例。顯而易見地，可以修改電源設備1以便輸出負的輸出電壓Vo。據此考慮，輸出電壓監(jiān)控部分34將通過由電阻器20和電阻器21對輸出電壓Vo分壓而獲得的電壓(＝Vo·R2/(R1+R2)，與輸出電壓Vo成比例的電壓)的絕對值(量值)與檢測電壓Vab的絕對值(量值)相比較。如果發(fā)現|Vo·R2/(R1+R2)|＞|Vab|，輸出電壓監(jiān)控部分34檢測出輸出電壓Vo正常。另一方面，如果發(fā)現|Vo·R2/(R1+R2)|＜|Vab|，輸出電壓監(jiān)控部分34檢測出輸出電壓Vo異常。
附帶地，可以將反相器14看作上述輸出電壓監(jiān)控部分34或過流監(jiān)控部分33的一部分，以及可以將“與”電路10看作過流監(jiān)控部分33的一部分。
軟啟動電路32主要由電壓源15、電阻器18、以及電容器19構成。軟啟動電路32以這樣的一種方式控制MOS晶體管2，使得在通電時(在開始施加輸入電壓Vin時)執(zhí)行軟啟動操作。如果沒有軟啟動電路31(即，如果電阻器18是0歐姆)，在通電時較高的涌流流經負載25等，導致輸出電壓Vo急劇增加。相反，由于軟啟動電路32和誤差信號放大器5的作用，使在通電時施加到負載25上的涌流變得相對較小(與沒有軟啟動電路32時相比)，并且輸出電壓Vo與沒有軟啟動電路32時相比更溫和地(逐漸地)增加。即，“執(zhí)行軟啟動操作，從而在通電時輸出電壓Vo溫和地增加”意味著輸出電壓Vo與沒有軟啟動電路32時相比在通電時增加地更加溫和。這使得使電感23、電容器24、或負載25的輸入電流額定值變小成為可能。此外，軟啟動電路32有助于減小例如由誤差信號放大器5的響應延遲所產生的輸出電壓Vo的過沖。
啟動監(jiān)控部分31主要由軟啟動電路32、比較器8、以及電壓源16構成。
過流檢測電路35主要由啟動監(jiān)控部分31、過流監(jiān)控部分33、以及輸出電壓監(jiān)控部分34構成。過流檢測電路35檢測MOS晶體管2的過流狀態(tài)。附帶地，可以將控制部分30看作過流檢測電路35的一部分。過流檢測電路35在輸入電壓Vin下工作。
在開始向過流檢測電路35供電后，將軟啟動電路32與端子SS相連的節(jié)點處的電勢開始上升。施加到端子SS的電壓與通電過后經過的時間相對應，并且由誤差參考電壓Ver、電阻器18的電阻值、以及電容器19的電容確定該電壓的增加率。換句話說，在通電后，通過由誤差參考電壓Ver、電阻器18的電阻值、以及電容器19的電容所確定的電流流過電容器19來產生施加到端子SS的電壓。
然后，比較器8輸出通過將施加到端子SS的電壓與SS檢測電壓Vss相比較而獲得比較結果。即，當在開始向過流檢測電路35供電之后經過的時間超過由SS檢測電壓Vss所確定的時間時，啟動監(jiān)控部分31使比較器8輸出高電勢的(高)電壓(對應于本發(fā)明中的“穩(wěn)定狀態(tài)信號”)。另一方面，當在開始向過流檢測電路35供電之后經過的時間等于或小于由SS檢測電壓Vss所確定的時間時，啟動監(jiān)控部分31使比較器8輸出低電勢的(低)電壓(對應于本發(fā)明中的“啟動狀態(tài)信號”)。
可以將施加到端子SS的電壓看作從軟啟動電路32輸出的電壓。因而，可以說啟動監(jiān)控部分31基于從軟啟動電路32輸出的電壓(施加到端子SS的電壓)，檢測在開始向過流檢測電路35供電之后經過的時間，并且，根據如此檢測的時間，輸出“穩(wěn)定狀態(tài)信號”或“啟動狀態(tài)信號”。基于從軟啟動電路32輸出的電壓，誤差信號放大器5控制通電時的輸出電壓Vo。
向比較器7的反相輸入端饋給通過從輸入電壓Vin中減去MOS晶體管2的導通電阻Ron與其漏極電流Id的乘積而獲得的電壓(Vin-Ron·Id)。如此配置開關電路13，使得當“與”電路10的輸出為高電平時，將(Vin-V2)施加到比較器7的非反相輸入端(+)，以及，當“與”電路10的輸出為低電平時，將(Vin-V1)施加到另外一端。
當“與”電路10的輸出取高電平時，即，當發(fā)現輸出電壓Vo異常(當滿足|Vo·R2/(R1+R2)|＜|Vab|的關系時)且比較器8(啟動監(jiān)控部分31)輸出“穩(wěn)定狀態(tài)信號”(高輸出信號)時，過流監(jiān)控部分33將第一過流檢測電平(Ilim1)設定為其過流檢測電平。即，過流監(jiān)控部分33將電壓(Ron·Id)與電壓V1相比較，并且向柵極驅動器3給出如此獲得的比較結果。這里，第一過流檢測電平(Ilim1)與V1/Ron相等。
當Ron·Id＜V1關系滿足時，比較器7向柵極驅動器3給出低電平信號。響應于此，判斷MOS晶體管2不處于過流狀態(tài)的柵極驅動器3執(zhí)行正?？刂?據此將輸出電壓Vo維持在目標電壓Vtar處)。
另一方面，當滿足Ron·Id＞V1(或Ron·Id≥V1)關系時(當檢測到過流狀態(tài)時)，比較器7向柵極驅動器3給出高電平信號。響應于此，判斷由過流檢測電路35檢測到過流狀態(tài)的柵極驅動器3將MOS晶體管2截止。因此，Ron·Id＞V1(或Ron·Id≥V1)關系暫時不能滿足。然而，由于控制部分30的作用，再次將MOS晶體管2導通。當Ron·Id＞V1(或Ron·Id≥V1)關系再次滿足時，再次將MOS晶體管2截止。
如上所述，包括柵極驅動器3的控制部分以這樣的一種方式控制MOS晶體管2，使得MOS晶體管2的漏極電流Id變得等于或小于由過流檢測電平確定的電流值(V1/Ron)。該控制方法是恒流下降法，據此控制漏極電流以便等于或小于與輸出電壓Vo無關的確定值。
另一方面，當“與”電路10的輸出為低電平時，即，當發(fā)現輸出電壓Vo異常(當滿足Vo·R2/(R1+R2)|＞|Vab|的關系)或比較器8(啟動監(jiān)控部分31)輸出“啟動狀態(tài)信號”(低輸出信號)時，過流監(jiān)控部分33將第二過流檢測電平(ILim2)設定為其過流檢測電平。即，過流監(jiān)控部分33將電壓(Ron·Id)與V2相比較，并且向柵極驅動器3給出如此獲得的比較結果。這里，第二過流檢測電平(ILim2)與V2/Ron相等。
當滿足Ron·Id＜V2的關系時，比較器7向柵極驅動器3給出低電平信號，以及，當滿足Ron·Id＞V2(或Ron·Id≥V2)的關系時(當檢測到過流狀態(tài)時)，比較器7向柵極驅動器3給出高電平信號。根據比較器7的輸出，包括柵極驅動器3的控制部分以與“與”電路10的輸出取高電平時相同的方式運行。
假定使ILim1·1/100的漏極電流經過例如具有100倍于MOS晶體管2的導通電阻值Ron的檢測器MOS晶體管(未示出)。然后，在檢測器MOS晶體管的漏極和源極之間產生Ron·ILim1(＝100Ron·ILim1·1/100)的電壓?？梢耘渲秒妷涸?1以便具有Ron·ILim1的電壓作為其輸出電壓V1。
例如，假定將MOS晶體管2構成為單獨的MOS晶體管，其中以這樣的一種方式排列100個單位的單元晶體管，使得其漏極、源極、和柵極并聯連接，并且將檢測器MOS晶體管(未示出)構成為單獨單位的單元晶體管。那么，檢測器MOS晶體管的導通值約為100·Ron。應該理解的是，通過相同的制造工藝在同一個半導體襯底上形成組成MOS晶體管2的單位單元晶體管以及組成檢測器MOS晶體管(未示出)的單位單元晶體管。注意，以與電壓源11相同的方式配置電壓源12。
(圖2使用波形描述)接下來，將參考示出了在電源設備1中所觀察到的相關電壓和電流的波形的圖2，描述過流檢測電路35和電源設備1如何運行。
在圖2中，實線40、41、42、43、44、45、和46分別表示輸入電壓Vin的波形、施加到端子SS的電壓的波形、比較器8的輸出(α，見圖1)的電壓波形、MOS晶體管2的漏極電流(Id)的波形、過流檢測電平、輸出電壓Vo的波形、以及“與”電路10的輸出(β，見圖1)的電壓波形。
首先，在時間T1，開始施加輸入電壓Vin。然后，開始向電容器19充電，并且施加到端子SS的電壓開始增加。因為緊接著通電之后輸出電壓Vo是0V，控制部分30控制MOS晶體管2以便使輸出電壓Vo增加到目標電壓Vtar。作為對MOS晶體管2執(zhí)行控制的結果，漏極電流Id流經其中。然而，此時由于軟啟動電路32的作用，漏極電流Id相對溫和地增加，并且輸出電壓Vo也相對溫和地增加(見從時間T1至時間T3的時期)。作為軟啟動電路32運行的結果，施加到端子SS的電壓約略與輸出電壓Vo同步地增加。
因為比較器8的輸出(α)取低電平(Lo)，“與”電路10的輸出(β)也取低電平。因此，過流檢測電平是第二過流檢測電平(V2/Ron)。
在時間T2，施加到端子SS的電壓達到SS檢測電壓Vss，并且將比較器8的輸出(α)從低電平切換到高電平。應該注意到，配置電源設備1的相關部分使得在時間T2輸出電壓Vo大大地超過閾值Vab(R1+R2)/R2，所述閾值是正常條件/異常條件之間的閾值。因而，在時間T2，“與”電路10的輸出(β)取低電平。
在時間T3，漏極電流Id達到第二過流檢測電平。此時，經由柵極驅動器3將MOS晶體管2截止，并且因此漏極電流Id不會超過第二過流檢測電平。大體上，如此設置第二過流檢測電平以便稍微大于或幾乎等于在其啟動時(在輸入電壓Vin施加之后輸出電壓Vo第一次從0V增加到目標電壓Vtar時)流經電源設備1的涌流的最大值。這使得輸出電壓Vo迅速地達到目標電壓Vtar。在圖2中，為了說明，涌流的最大值達過流保護操作的第二過流檢測電平。
在啟動時，涌流僅流經負載25較短的時間(例如幾十毫秒或者幾十毫秒以上但是幾百毫秒以下)。因此，即使當將具有相對較大值的第二過流檢測電平設定為過流檢測電平，MOS晶體管2、二極管22、電感23等幾乎不產生熱(同時，集成電路元件28總體上幾乎不產生熱)。這有助于防止這些部件損壞(由熱損壞)并且因此確保了電源設備1的高可靠性。
在時間T4，輸出電壓Vo達到目標電壓Vtar。在時間T4和時間T5之間，將輸出電壓Vo穩(wěn)定在目標電壓Vtar處，且處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且因此如在其啟動時所觀察到的涌流沒有流過。因此，漏極電流Id取相對較低的值。
在時間T5，假定負載25短路。然后，輸出電壓下降到0V，小于Vab(R1+R2)/R2。此時，比較器9的輸出取低電平，并且因此“與”電路10的輸出(β)取高電平。因此，將過流檢測電平切換到第一過流檢測電平(V1/Ron)。
然后，盡管輸出電壓是0V，將漏極電流Id的最大值限制在比第二過流檢測電平小的第一過流檢測電平(見時間T5和時間T6之間的時間段)。即使在時間T5和時間T6之間的時間段持續(xù)較長的持續(xù)時間(例如1分鐘)，通過設定作為防止MOS晶體管2、二極管22、電感23等被損壞的第一過流檢測電平的值，也可以使電源設備1高度可靠。
此外，通過適當地設定第一過流檢測電平，可以在維持電源設備1的可靠性的同時，采用具有較低額定電流的部件作為MOS晶體管2、二極管22、以及電感23等。這有助于實現安裝面積的減小、并且同樣實現成本的降低。
在時間T6，負載25從短路中恢復，并且輸出電壓Vo開始再次增加。
然后，在時間T7，輸出電壓Vo達到Vab(R1+R2)/R2，將“與”電路10的輸出(β)切換到低電平，并且將過流檢測電平切換到第二過流檢測電平。此后，在時間T7和時間T8之間，輸出電壓Vo再次達到目標電壓Vtar。
注意，在時間T6之后，輸出電壓Vo在增加至目標電壓Vtar的過程中沒有經歷軟啟動操作。為了使輸出電壓Vo經歷軟啟動操作，有必要如下面(1)和(2)所述修改圖1中示出的電路。
(1)如在時間T5所觀察到的，在其中輸出電壓Vo為0V的狀態(tài)，將施加到SS端子的電壓暫時地下降到0V。
(2)在從比較器8的輸出端延伸到“與”電路10的一個輸入端的線上插入鎖存電路(未示出)，該電路使“與”電路10在通電之后比較器8的輸出取高電平時在其一個輸入端(沒有與反相器14的輸出端相連的輸入端)總是接收高電平信號。
接下來，假定在時間T8負載25所要求的電流增加，并且輸出電壓Vo臨時地下降到低于目標電壓Vtar(但是仍然等于或大于Vab(R1+R2)/R2)。然后控制部分30通過將漏極電路Id增加到比第一過流檢測電平大的值，設法使輸出電壓Vo與目標電壓Vtar相等(在時間T8和時間T9之間的時間段)。此時，因為將第二過流檢測電平設定為過流檢測電平，所有過流保護功能沒有運行，并且因此所述電壓Vo迅速地恢復到目標電壓Vtar。
即使負載25所消耗的電流在對電流進行足夠長時間的平均時好像是穩(wěn)定的，負載25所要求的電流通常在除了啟動時之外的時間，在較短時間內變化得相當大。此種變化在負載25例如是在除了啟動時之外的時間要求短時間(例如幾個毫秒)大充電電流的電容性負載或提取大電流電涌的電機時變得更加顯著。然而，因為將具有相對較大值的第二過流檢測電平設定為過流檢測電平，即使當發(fā)生這樣的變化時過流保護操作也不會運行，并且將輸出電壓Vo一直維持在目標電壓Vtar(嚴格地說，輸出電壓Vo迅速地恢復到目標電壓Vtar)。
(第二實施例)接下來，將描述本發(fā)明的過流檢測電路的第二實施例和配置有此種過流檢測電路的電源設備。圖3是示出了第二實施例的電源設備51的電路配置的示意圖。在圖3中，將在圖1中也能發(fā)現的部件用相同的參考符號來識別，并且省略掉其詳細描述。
電源設備51在以下方面與電源設備1不同。電源設備51配置有不具有與MOS晶體管2相對應的開關元件的集成電路元件58而不是集成電路元件28。作為與MOS晶體管2相對應的開關元件，將P溝道MOS晶體管52設置在集成電路元件58的外部。將柵極驅動器3的輸出饋至MOS晶體管52的柵極，并且柵極驅動器3執(zhí)行MOS晶體管52的導通/截止控制。
將輸入電壓Vin經由具有電阻值R3的電阻器53饋至MOS晶體管52的源電極，并且將MOS晶體管52的漏電極與二極管22的負極以及電感23的一端相連。將電阻器52和MOS晶體管52的源電極連接到一起的節(jié)點與比較器7的反相輸入端(-)相連。
此外，提供軟啟動電路36而不是電源設備1中提供的軟啟動電路32。軟啟動電路36主要由恒流源60、電阻器61、以及電容器19構成。將電壓Vin饋至恒流源60的一端，并且經由電阻器61將恒流源60的另一端與誤差信號放大器5的第一非反相輸入端(+)、比較器8的非反相輸入端(+)、以及端子SS相連。與電源設備1的情況一樣，端子SS經由電容器19接地。注意，設置在電源設備1中的電阻器18沒有設置在電源設備51中。
在通電時，用從恒流源60輸出的恒定電流對電容器19充電。具有與電源設備1的軟啟動電路32相同功能的軟啟動電路36以這樣的一種方式控制MOS晶體管52，使得在通電時(在開始施加輸入電壓Vin時)執(zhí)行軟啟動操作(輸出電壓Vo逐漸地上升)。
啟動監(jiān)控部分37主要由軟啟動電路36、比較器8、以及電壓源16構成，并且以與設置在電源設備1中的啟動監(jiān)控部分39相同的方式運行。過流檢測電路38主要由啟動監(jiān)控部分37、過流監(jiān)控部分33、以及輸出電壓監(jiān)控部分34構成，并且檢測MOS晶體管52的過流狀態(tài)。附帶地，可以將控制部分30看作過流檢測電路38的一部分。過流檢測電路38在輸入電壓Vin下工作。
利用上述結構，將電壓(R3·Id)(MOS晶體管52的漏極電流Id和電容器53的電阻值R3的乘積)與電壓V1或V2相比較。即，僅由電壓(R3·Id)取代將要由比較器7與電壓V1或V2相比較的電壓(在第一實施例的過流檢測電路35中，為電壓(Ron·Id))。
因而，利用如上所述配置的電源設備51，可以實現與電源設備1相同的操作，并且從而獲得由電源設備1所獲得的諸如提高可靠性的各種好處。此外，利用如上所述配置的電源設備51，可以精確地檢測過流，與MOS晶體管52的導通電阻值無關(因為基于電阻值R3和漏極電流Id的乘積執(zhí)行過流檢測)。這使得采用結型場效應晶體管或雙極晶體管代替MOS晶體管作為開關元件成為可能。
可選地，可以在集成電路元件58的外部設置一個或兩個電壓源11和12，從而根據使用的目的自由地設定過流檢測電平。
(修改的示例)在電源設備1和電源設備51中，將在電阻器20和21電阻器連接到一起的節(jié)點處的電壓施加到比較器9的非反相輸入端(+)。然而，應該理解的是，可以修改圖1和圖3中示出的電路結構，從而實際上將輸出電壓Vo施加到比較器9的非反相輸入端(+)。
此外，可以將電源設備1的軟啟動電路32以及電源設備51的軟啟動電路36互相替代。
此外，例如，不但可以將本發(fā)明應用到電源設備1(見圖1)或電源設備51(見圖3)，而且可以將本發(fā)明應用到配置有各種開關調節(jié)器或DC-DC轉換器的電源設備。更進一步，可以將本發(fā)明應用到設置有諸如三端調節(jié)器的串聯調節(jié)器(降壓型調節(jié)器，dropper-typeregulator)的電源設備。
工業(yè)應用本發(fā)明適于要求過流保護功能的電源設備、高壓開關等，并且特別適于要求高可靠性的車載電源或向電容性負載輸出電流的電源設備。
權利要求
1.一種過流檢測電路，檢測將電流輸出到負載的開關元件的過流狀態(tài)，所述過流檢測電路包括啟動監(jiān)控部分，當開始向所述過流檢測電路供電之后經過的時間超過預定時間時，所述啟動監(jiān)控部分輸出穩(wěn)定狀態(tài)信號，以及當開始向所述過流檢測電路供電之后經過的時間小于所述預定時間時，所述啟動監(jiān)控部分輸出啟動狀態(tài)信號；過流監(jiān)控部分，所述過流監(jiān)控部分可以設定兩種過流檢測電平，其中之一是第一過流檢測電平，其中另一個是比所述第一過流檢測電平大的第二過流檢測電平，并且所述過流監(jiān)控部分監(jiān)控所述開關元件的過流狀態(tài)；以及輸出電壓監(jiān)控部分，所述輸出電壓監(jiān)控部分通過將與輸出電壓成比例的電壓與預定電壓相比較，檢測去往所述負載的輸出電壓正常還是異常，然后向所述過流監(jiān)控部分給出檢測結果，其中當輸出電壓異常并且輸出所述穩(wěn)定狀態(tài)信號時，所述過流監(jiān)控部分將所述第一過流檢測電平設定為過流檢測電平，以及，當輸出電壓正常或輸出所述啟動狀態(tài)信號時，所述過流監(jiān)控部分將所述第二過流檢測電平設定為過流檢測電平。
2.如權利要求1所述的過流檢測電路，其中所述輸出電壓監(jiān)控部分將與輸出電壓成比例的所述電壓的大小與具有預定檢測電壓的大小的輸出電壓相比較，并且當與輸出電壓成比例的所述電壓的大小大于所述檢測電壓的大小時，所述輸出電壓監(jiān)控部分檢測到輸出電壓正常，以及，當與輸出電壓成比例的所述電壓的大小小于所述檢測電壓的大小時，所述輸出電壓監(jiān)控部分檢測到輸出電壓異常，然后向所述過流監(jiān)控部分給出檢測結果。
3.如權利要求1或2所述的過流檢測電路，其中，所述啟動監(jiān)控部分包括軟啟動電路，當輸出與開始向所述過流檢測電路供電之后所經過的時間成比例的電壓的同時，所述軟啟動電路以這樣一種方式控制所述開關元件，使得執(zhí)行軟啟動操作從而當開始向所述過流檢測電路供電時輸出電壓逐漸上升，以及基于從所述軟啟動電路輸出的電壓，所述啟動監(jiān)控部分輸出所述穩(wěn)定狀態(tài)信號或所述啟動狀態(tài)信號。
4.如權利要求1或2所述的過流檢測電路，其中，基于在開始向所述過流檢測電路供電之后預定電流通過電容性元件所產生的電壓，所述啟動監(jiān)控部分輸出所述穩(wěn)定狀態(tài)信號或所述啟動狀態(tài)信號。
5.如權利要求1或2所述的過流檢測電路，其中，在所述開關元件的輸入電壓的基礎上，確定所述第一過流檢測電平和所述第二過流檢測電平。
6.如權利要求1或2所述的過流檢測電路，還包括控制部分，所述控制部分根據涉及所述開關元件的過流狀態(tài)的信號，控制所述開關元件，從所述過流監(jiān)控部分輸出所述信號。
7.一種電源設備，包括權利要求1或2所述的過流檢測電路；開關元件；以及平滑電路，所述平滑電路平滑所述開關元件輸出側的電壓，然后向負載輸出已平滑的電壓。
全文摘要
提供了一種檢測將電流輸出到負載(25)的晶體管(2)的過流狀態(tài)的過流檢測電路(35)。該過流檢測電路包括區(qū)別啟動狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)的啟動監(jiān)控部分(31)，監(jiān)控晶體管(2)的過流狀態(tài)的過流監(jiān)控部分(33)，以及檢測到負載(25)的輸出電壓正?；虍惓５妮敵鲭妷罕O(jiān)控部分(34)。在參考來自啟動監(jiān)控部分(31)和過流監(jiān)控部分(33)的信息的同時，過流監(jiān)控部分(31)改變過流檢測電平。
文檔編號H03K17/082GK1950981SQ20058001405
公開日2007年4月18日 申請日期2005年4月28日 優(yōu)先權日2004年5月6日
發(fā)明者沖宏一, 井手雄三 申請人:羅姆股份有限公司